Effect of semi-solid forging on microstructure and mechanical properties of in-situ cast Al-Cu-TiB2 composites

The present work deals with the effect of semisolid processing on microstructure and mechanical properties of Al-4.5% Cu – 5% TiB2 in-situ cast composites. The composite was prepared by flux assisted synthesis in which TiB2 particles were formed in-situ through an exothermic reaction between K2TiF6 and KBF4 halide salts. Al-4.5 wt% Cu alloy and Al-4.5% Cu-5% TiB2 composite samples were forged in semisolid state with 0.3 vol fraction of liquid. Semisolid forging was carried out for two forge reductions (30% and 50% forge reductions). Microstructure studies show that the semi-solid forging results in uniform distribution of TiB2 particles and Al2Cu particles in the composite. Further, TiB2 particles play a dual role as grain refiners as well as reinforcements of composites. EBSD and nano indentation studies shows that semisolid forging results in dynamic recrystallization of grains in the composite with significant grain refinement which leads to a marked increase in hardness and elastic modulus of the alloy as well as the composite

Manufacturing of aluminium composite materials : a review

Abstract: Aluminium composite materials are becoming very popular as a result of their physical and mechanical characteristics, which are making them relevant to various applications. The addition of reinforcement materials with unique characteristics into aluminium produces aluminium composites with superior quality. Wear resistance, stiffness, strength and hardness are some of the improved properties obtained when reinforcement materials were added to the primary aluminium. This chapter presents some of the manufacturing processes of aluminium, its alloys and composites. The effects of reinforcements on aluminium composites from existing work and research direction on the fabrication of aluminium composite materials were discussed in this chapter

Development of Novel Semisolid Powder Processing for Micromanufacturing

Semisolid powder processing (SPP) is a promising approach for near net–shape forming of features in micro/meso–scale. By combining the concept of forming in the semisolid state and conventional powder metallurgy, SPP provides a novel solution to various processing and materials engineering challenges faced in micromanufacturing. Replacing bulk materials with powdered materials adds a new dimension to the traditional semisolid technique by allowing tailoring of material properties. In this dissertation, experimental study to understand flow characteristics of metallic powders in the semisolid state is performed, and its potential application to the fabrication of a functionally graded structure (FGS) is demonstrated. The viscosity and phase segregation behavior of Al–Si powders in the semisolid state were first studied with back extrusion experiments. Effects of process parameters including shear rate, extrusion ratio, heating time and pre–compaction pressure were analyzed using the design of experiments method. The results showed that the effects of shear rate, extrusion ratio and heating time were statistically significant factors influencing the viscosity. The semisolid state powders showed a shear thinning behavior. Moreover, microstructure analysis of extruded parts indicated severe phase segregation during the forming process. As the extrusion opening became small (about 400 μm), the phase segregation increased. A two–layer FGS with one layer reinforced by SiC particles was fabricated with SPP. The results indicate that SPP is capable of fabricating graded structures with promising microstructures and mechanical properties. When the SiC particles are larger than the matrix powder, dense and strong parts were formed. Smaller SiC particles can isolate the metal powders and result in porous and weak structures. The roughness of the SiC particle surface affects interface bonding between SiC particles and Al–Si–Cu matrix phase. In summary, SPP has the potential to become a viable micromanufacturing method that can be used to make graded structures with low cost, good microstructure and promising properties

Computational and experimental analysis of particulate distribution during Al–SiC MMC fabrication

There are many factors which influence the incorporation of particulate in metal matrix composites (MMCs). This paper presents work which examines the effect of viscosity during Al–SiC MMC production. Processing periods (up to 65 min), stirring speeds (50– 500 rpm), and re-inforcement sizes (13–100 lm) for two different viscosity levels (1 and 300 mPa s) were investigated. Computer simulations, room temperature analogue fluid simulations, and MMC castings were performed. Volume fraction results of SiC at different locations within the fluids were assessed by each of these methods and compared. From these tests, a stirring speed of 200 rpm for the lower viscosity fluid and 300 rpm for the higher viscosity fluid were found to be best in order to produce uniform distributions of SiC. In order to obtain a uniform re-inforcement distribution in the lower viscosity system, stirring periods were found to range from 14 to 170 s and for the higher viscosity system from 540 to more than 3920 s. Fully uniform suspensions remained for just a couple of seconds in the lower viscosity system compared to about an hour for the higher viscosity system. The modelling approach chosen was found to be useful in predicting settling behaviour in the semi-solid metal

A Comprehensive Overview on the Latest Progress in the Additive Manufacturing of Metal Matrix Composites: Potential, Challenges, and Feasible Solutions

Nowadays, as an emerging technology, additive manufacturing (AM) has received numerous attentions from researchers around the world. The method comprises layer-by-layer manufacturing of products according to the 3D CAD models of the objects. Among other things, AM is capable of producing metal matrix composites (MMCs). Hence, plenty of works in the literature are dedicated to developing different types of MMCs through AM processes. Hence, this paper provides a comprehensive overview on the latest research that has been carried out on the development of the powder-based AM manufactured MMCs from a scientific and technological viewpoint, aimed at highlighting the opportunities and challenges of this innovative manufacturing process. For instance, it is documented that AM is not only able to resolve the reinforcement/matrix bonding issues usually faced with during conventional manufacturing of MMCs, but also it is capable of producing functionally graded composites and geometrically complex objects. Furthermore, it provides the opportunity for a uniform distribution of the reinforcing phase in the metallic matrix and is able to produce composites using refractory metals thanks to the local heat source employed in the method. Despite the aforementioned advantages, there are still some challenges needing more attention from the researchers. Rapid cooling nature of the process, significantly different coefficient of expansion of the matrix and reinforcement, processability, and the lack of suitable parameters and standards for the production of defect-free AM MMCs seem to be among the most important issues to deal with in future works

Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge unter Berücksichtigung der auftretenden Materialströmungen

Am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart werden seit mehr als zwanzig Jahren Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand durchgeführt. Bei den hierbei untersuchten Formgebungsverfahren, insbesondere der Verfahrensvariante Thixo-Schmieden, werden metallische Rohteile zunächst induktiv in den Temperaturbereich zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie erwärmt und anschließend mithilfe einer hydraulischen Hochgeschwindigkeitspresse geformt. Nach der Erwärmung weisen die teigigen, aber dennoch formstabilen Metallhalbzeuge Flüssigphasenanteile zwischen 30 % und 50 % auf und besitzen hervorragende Fließeigenschaften. Diese Fließeigenschaften erlauben die Herstellung komplexer, endkonturnaher Bauteile mit mechanischen Eigenschaften, die annähernd mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sind, mittels eines einzigen Formgebungsschritts. Darüber hinaus ist es aufgrund der für das Thixo-Schmieden charakteristischen Fließeigenschaften teilflüssiger Metallwerkstoffe möglich, sowohl neuartige Metalllegierungen mit immer höheren Festigkeiten und/oder Härtegraden zu verarbeiten, als auch Hybrid- und Verbundbauteile herzustellen. Diese prozesstechnischen Vorteile qualifizieren das Thixo-Schmieden in besonderem Maße dafür, die stetig zunehmenden Produktionsanforderungen, die unter anderem durch die Energie und Rohstoffverknappung, die fortschreitenden Produktindividualisierung sowie den ansteigenden Leichtbautrend bedingt sind, zu erfüllen. Trotzdem besteht bei den produzierenden Unternehmen der metallverarbeitenden Industrie bis heute nur eine geringe Akzeptanz gegenüber diesem Formgebungsverfahren. Ein wesentlicher Grund für diese geringe Akzeptanz liegt in der relativ komplexen Prozessführung sowohl bei der Rohteilerwärmung als auch bei der anschließenden Formgebung der teilflüssigen Metallwerkstoffe, sodass meist ein umfangreiches Expertenwissen zur Einstellung der idealen Anlagenparameter erforderlich ist. Ein weiterer Grund besteht in der hohen Sensibilität des Thixo-Schmiedens gegenüber prozesstechnischen Randbedingungen wie Rohteil- und Werkzeugtemperaturen sowie Stößel- bzw. Fließgeschwindigkeiten. Diese müssen relativ genau bestimmt und eingehalten werden, um eine möglichst hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund bestand die wesentliche Zielsetzung der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsaktivitäten darin, die Konkurrenzfähigkeit des Thixo-Schmiedens gegenüber konventionellen Schmiede- und Gießverfahren zu steigern und somit einen Beitrag zu leisten, das Verfahren als Fertigungsalternative für produzierende Unternehmen der Metallindustrie attraktiver zu machen. Hierfür wurden im Rahmen der Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessrobustheit sowie zur Vereinfachung der Prozessführung umgesetzt. Zudem wurden potentielle Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens dargestellt, mit denen den beschriebenen Produktionsanforderungen zukünftig noch besser begegnet werden kann. Im Einzelnen wurden dabei die nachfolgend zusammengefassten Forschungsinhalte bearbeitet. Zunächst wurde im Rahmen experimenteller Untersuchungen zur induktiven Erwärmung metallischer Rohrhalbzeuge in den teilflüssigen Materialzustand gezeigt, dass der Einfluss des bei der induktiven Erwärmung auftretenden Skin-Effekts durch den Einsatz von rohrförmigen anstelle von zylindrischen Rohteilen vernachlässigbar gering wird. Daraus resultierend konnte die Rohteilerwärmung für rohrförmige Halbzeuge im Vergleich zu Vollkörpern robuster gestaltet und die Ermittlung der hierfür erforderlichen Anlagenparameter vereinfacht werden. Ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Prozesssicherheit konnte mit dieser Arbeit durch die Optimierung der simulativen Prozessauslegung im Hinblick auf die Vorhersage kritischer Materialströmungen geleistet werden. Diese Optimierung wurde im Wesentlichen durch die Entwicklung eines neuen Viskositätsmodells erreicht. Mit diesem Modell wurden einphasige Formfüllsimulationen aufgebaut, mit deren Hilfe prozessbedingt auftretende, kritische Materialströmungen beim Thixo-Schmieden und dadurch zu erwartende Bauteilfehler prognostiziert werden konnten. Zudem konnten anhand dieser Simulationen Aussagen darüber getroffen werden, ob diese kritischen Materialströmungen durch eine frühzeitige Erstarrung oder durch einen inhomogenen, instabilen Materialfluss des teilflüssigen Metallwerkstoffes bedingt sein würden. Die Simulationsergebnisse wurden mithilfe von realen Formgebungsversuchen validiert und somit die Eignung des neu entwickelten Viskositätsmodells im Hinblick auf eine verbesserte simulative Auslegung des betrachteten Thixo-Schmiedeprozesses nachgewiesen. Für die Versuche wurde ein modulares Formgebungswerkzeug konstruiert und angefertigt, welches die kostengünstige Herstellung verschiedener rotationssymmetrischer, hohler Bauteilformen mit im Wesentlichen fertigen Funktionsflächen ermöglichte. Mit diesem Werkzeug wurden des Weiteren Formgebungsversuche durchgeführt, mit welchen die Potentiale des Thixo-Schmiedens hinsichtlich der Herstellung von hohlen Leichtbauteilen aus Werkstoffen mit erhöhten Festigkeits- bzw. Härtewerten sowie der ressourceneffizienten Wiederverwertung von Metallspänen aufgezeigt werden konnte. Mit diesen abschließenden Formgebungsversuchen wurde schlussendlich nachgewiesen, dass mit dem betrachteten Thixo-Schmiedeprozess insbesondere für Nischenanwendungen eine material- und ressourceneffiziente Fertigungsalternative zu den etablierten Schmiede- und Gießverfahren besteht